Exercices: Conception assistée par ordinateur

Expliquer avec vos propres mots ce qu'est la conception assistée par ordinateur (CAO) et citer deux choses que l'on peut faire avec un modèle virtuel avant de le fabriquer (le faire pivoter pour le voir sous tous les angles, le mesurer, le modifier). Pourquoi pensez-vous que presque aucun objet moderne n'est plus conçu uniquement sur papier ?

En classe, on utilise trois logiciels : Tinkercad (pièces en 3D en assemblant des formes, très simple et dans le navigateur), SketchUp (modélisation 3D d'objets et d'espaces) et LibreCAD (plans en 2D). Choisir lequel vous utiliseriez pour chaque tâche et le justifier : (a) le plan en deux dimensions de la salle de classe avec ses dimensions, (b) un porte-clés en 3D à imprimer et (c) le modèle 3D de la bibliothèque du lycée.

Les pièces de CAO se construisent à partir de primitives : des formes de base déjà prêtes comme le cube, le cylindre, la sphère ou le cône. Indiquer quelle primitive vous choisiriez comme point de départ pour modéliser chaque objet et pourquoi : (a) une tasse, (b) un dé, (c) une glace en cornet et (d) un ballon.

La figure montre, en haut, trois primitives de CAO et, en bas, deux opérations qui combinent des formes, mais sans les nommer.

1. a) Nommer les trois primitives du haut (primitive 1, 2 et 3).
2. b) Déduire quelle opération correspond à chacune de celles du bas (opération a et opération b) — l'union de deux formes ou la soustraction de l'une moins l'autre —, en expliquant ce qui est arrivé aux formes d'origine dans chaque résultat.

L'extrusion transforme une figure plane en solide en lui donnant de l'épaisseur, comme si l'on étirait la figure vers le haut. Expliquer l'idée avec un exemple de la vie quotidienne (un presse-pâte qui donne sa forme à la pâte, un biscuit découpé à l'emporte-pièce et soulevé) et indiquer quel solide on obtient en extrudant : (a) un cercle, (b) un carré et (c) une étoile.

Énumérer trois avantages de concevoir une pièce sur ordinateur plutôt que de construire directement le prototype en bois ou en carton, en pensant à : la matière gaspillée en cas d'erreur, la facilité de modifier une dimension et la possibilité de montrer la conception à quelqu'un qui est loin.

Quand on ouvre un logiciel de CAO 3D, on voit la zone de travail avec une grille, un cube de vues dans un coin et une barre avec les formes disponibles. Expliquer à quoi sert chacun de ces trois éléments et pourquoi la grille aide à placer les pièces avec précision.

Un verre peut être modélisé en soustrayant un petit cylindre à un grand cylindre : le petit vide l'intérieur. Expliquer quelles opérations (union ou soustraction) vous utiliseriez pour modéliser ces objets et avec quelles primitives : (a) un anneau, (b) un encrier avec son trou et (c) un marteau simple (manche et tête).

Écrire la méthode de modélisation d'un verre dans Tinkercad, pas à pas : quel cylindre vous créez en premier et avec quelles dimensions, comment vous transformez le second cylindre en « trou », ce que fait l'opération de groupement et comment vous vérifiez que la paroi a bien l'épaisseur voulue.

La figure montre l'écran d'un logiciel de CAO avec un modèle terminé et les trois vues que le logiciel génère à partir de celui-ci, nommées vue a, vue b et vue c.

Identifier quelle vue (a, b ou c) est la vue de face, laquelle est la vue de dessus et laquelle est la vue de côté du modèle, et expliquer quel avantage il y a à ce que le logiciel les génère automatiquement plutôt que de les dessiner à la main, surtout quand on modifie le modèle.

Vous voulez modéliser un porte-clés en forme d'os pour le chien d'une amie : un cylindre épais à chaque extrémité et une barre au milieu, plus un trou pour l'anneau. Décrire la séquence d'opérations dans le logiciel (primitives, unions et soustractions, dans l'ordre) et estimer les dimensions en millimètres que vous lui donneriez pour qu'il tienne dans une poche.

Un camarade veut faire le plan de sa chambre dans Tinkercad et met deux fois plus de temps qu'avec un logiciel de plans 2D comme LibreCAD. Expliquer quel type de tâche relève d'une CAO 2D et lequel d'une CAO 3D, et expliquer pourquoi utiliser le mauvais logiciel rend le travail plus lent même si les deux « dessinent des pièces ».

En CAO, chaque forme est placée avec des dimensions exactes : largeur, longueur et hauteur en millimètres. Comparer cette façon de travailler au dessin à main levée : ce que l'on gagne en précision, ce que l'on perd en rapidité pour une première idée et à quel moment de la conception chacune convient.

Quand le modèle est terminé, on l'exporte dans un fichier pour le partager ou l'imprimer. Expliquer quelle information, selon vous, ce fichier enregistre sur la pièce (sa forme, pas les jolies couleurs) et pourquoi, pour l'impression 3D, on utilise un format précis appelé STL, qui décrit la surface de la pièce avec de petits triangles.

Dans le logiciel, vous avez déjà modélisé un pied de tabouret. Expliquer quelles opérations vous utiliseriez pour terminer le tabouret sans remodéliser trois fois le pied (copier, faire pivoter et déplacer le pied existant) et quelle précaution il faut prendre en plaçant les copies pour que le tabouret ne soit pas de travers.

Lors de l'impression 3D d'un modèle, deux pièces séparées apparaissent alors qu'elles devraient n'en former qu'une : dans le logiciel, elles étaient « ensemble » mais non groupées, simplement en contact. Expliquer la différence entre grouper deux formes (qui deviennent une pièce unique) et les laisser simplement posées l'une contre l'autre, et comment vous le vérifieriez dans le logiciel avant d'imprimer.

Planifier la modélisation complète d'un support de téléphone pour le bureau : une base, un dossier incliné et une butée à l'avant. Détailler les primitives que vous utiliseriez pour chaque partie, les opérations d'union ou de soustraction dans l'ordre, les dimensions approximatives en millimètres et une vérification finale avant de valider le modèle.

À partir des vues orthographiques d'une pièce technique, on observe :

• Vue de face : silhouette en forme de « T » symétrique de $60\ \text{mm}$ de largeur totale, $40\ \text{mm}$ de hauteur, une traverse supérieure de $20\ \text{mm}$ de hauteur et un pilier central de $20\ \text{mm}$ d'épaisseur.

• Vue de dessus : rectangle de $60 \times 25\ \text{mm}$ avec les arêtes cachées du pilier central.

• Vue de côté (gauche) : rectangle de $25 \times 40\ \text{mm}$ avec une arête visible horizontale qui sépare la traverse du pilier.

1. a) Déduire la forme 3D de la pièce et détailler deux stratégies différentes pour la modéliser en CAO : l'une par union de primitives et l'autre à partir d'un gros bloc auquel on retire des parties creuses. Préciser les dimensions de chaque prisme dans les deux méthodes.
2. b) Un camarade affirme que, pour vérifier si le modèle CAO correspond au dessin technique, il suffit de faire tourner la vue libre avec la souris. Justifier pourquoi cette méthode induit des erreurs et expliquer comment utiliser le cube des vues et la projection orthogonale du logiciel pour vérifier chaque vue normalisée.

Une pièce doit comporter : un bloc de base, deux trous débouchants latéraux et un lamage dans la partie supérieure. Expliquer si l'ordre des opérations de soustraction a de l'importance, ce qui peut se passer si l'on réalise le lamage avant les trous (ou inversement) et écrire la séquence que vous suivriez, en justifiant chaque étape.

Dans l'équipe de conception d'un projet, deux positions opposées s'affrontent sur l'outil à employer à chaque phase :

1. Sofia soutient qu'il faut allumer l'ordinateur et modéliser directement en CAO dès la première minute, sans faire de croquis préalable au crayon.

2. Marc soutient que c'est une perte de temps de passer le support d'une poulie en CAO s'ils ont déjà un dessin technique parfaitement coté, tracé à la main à l'équerre, prêt à être fabriqué à l'atelier.

Réfuter ces deux positions en argumentant :

1. a) Justifier deux inconvénients de commencer à concevoir directement en CAO pendant la phase de remue-méninges (considérer la rapidité pour explorer des alternatives et le risque de bloquer la créativité en se fixant trop tôt sur des dimensions).
2. b) Justifier deux avantages techniques décisifs de la modélisation de la pièce en CAO avant sa fabrication (par exemple, pour la simulation de l'assemblage avec d'autres pièces, la détection des interférences ou l'exportation vers la fabrication numérique) par rapport au seul dessin sur papier.

Pour réorganiser la salle de technologie ($12 \times 8\ \text{m}$) et vérifier que les allées de sécurité de $1,2\ \text{m}$ entre les machines sont respectées, l'équipe doit modéliser l'espace et son mobilier. Un élève insiste pour utiliser Tinkercad, tandis qu'une autre propose d'utiliser un logiciel comme SketchUp.

1. a) Analyser deux difficultés techniques importantes que vous rencontrerez si vous essayez de modéliser toute la salle dans Tinkercad (considérer les limites et l'échelle habituelle du plan de travail, et l'effet sur les performances du navigateur d'accumuler des dizaines d'établis et d'outils complexes par union de primitives).
2. b) Justifier lequel des deux logiciels est le plus adapté à ce projet précis, en expliquant les avantages qu'il offre (comme le travail à l'échelle réelle avec des cotes d'architecture ou l'insertion de composants prédéfinis) par rapport à la modélisation par solides de base.

Votre modèle comporte des détails très fins : des lettres en relief d'un demi-millimètre et de petits pieds de $1\ \text{mm}$ d'épaisseur. Anticiper les problèmes que posera l'impression 3D d'une telle pièce et redessiner sur papier ces détails pour qu'ils résistent à l'imprimante, en expliquant le critère suivi (épaisseurs minimales, détails superflus).

Trois élèves travaillent en même temps dans Tinkercad sur la conception collaborative d'un pont grâce à un lien partagé. À la fin de la séance, ils découvrent trois défauts :

1. Un camarade a supprimé sans le vouloir la structure de poutres qu'un autre avait terminée, parce qu'il l'a sélectionnée en faisant un cadre de sélection pour déplacer sa propre pièce.

2. Deux modules conçus séparément ne s'emboîtent pas dans l'assemblage final car l'un a été conçu avec une grille de $1\ \text{mm}$ et l'autre avec une grille de $0,1\ \text{mm}$, sans convenir de cotes ni de points de jonction, et ils sont donc désalignés.

3. Le travail des $20$ dernières minutes de l'un d'eux a été perdu car la connexion wifi de l'atelier a subi des micro-coupures et le navigateur n'a pas synchronisé les modifications.

1. a) Expliquer quelle caractéristique technique ou limite du travail dans le cloud a provoqué ou aggravé chacun de ces trois incidents.
2. b) Concevoir un protocole de travail en équipe (avec trois règles opérationnelles concrètes) pour éviter que ces problèmes ne se reproduisent lors d'une modélisation collaborative.

Dans un atelier de fabrication, un stagiaire affirme : « Le dessin technique traditionnel et les vues normalisées sont morts ; il suffit de concevoir la pièce en 3D sur l'ordinateur et d'envoyer le fichier à la machine ».

Pourtant, le responsable d'atelier refuse la pièce et exige le dessin technique coté en 2D avant de commencer l'usinage.

1. a) Réfuter l'affirmation du stagiaire en expliquant pourquoi un modèle 3D seul ne suffit pas pour fabriquer une pièce réelle avec précision (mentionner au moins deux données essentielles qu'un modèle 3D sans annotations ne précise pas et que le dessin technique comporte, comme les tolérances d'ajustement, les états de surface ou les cotes de vérification pour le contrôle qualité).
2. b) Imaginer que la pièce soit fabriquée directement à partir du fichier 3D sans dessin de contrôle préalable. Prévoir ce qui se passera lorsqu'il faudra assembler ce composant avec d'autres pièces et comment la connaissance des vues orthographiques (de face, de dessus et de côté) permet de détecter les erreurs avant la fabrication.